94) ¿Hasta qué % de blending de hidrógeno es admisible en los quemadores industriales de gas natural?
Tras observar que el análisis número 93 sobre el impacto del blending de hidrógeno en una corriente de 100% metano (CH₄) sobre la reducción de emisiones de CO₂ fue un ÉXITO. En este análisis veremos el impacto que tiene el blending de hidrógeno sobre los quemadores industriales. Por lo tanto, para poder aprovechar al máximo, es necesario haberse leído el análisis anterior ( link aquí al 93) Estudio real del impacto del Hidrógeno en el gas natural).
Homenajeando a uno de mis directores cinematográficos favorito, Christopher Nolan, voy a emular a la película Memento, film que comenzó por el final. Aquí tenéis la respuesta ala pregunta que he lanzado en Linkedin el viernes. De ese modo, haremos el camino inverso para entender como es debido esta gráfica.
Cabe destacar, que al igual que en los datos expuesto en el análisis anterior, los cálculos que aquí presento han sido realizados a 15ºC (288 K) y 1 bar (0,1 MPa).
¿Qué es el índice de Wobbe?
Cuando se va a realizar la combustión de una mezcla de gases, al tratarse de dos gases con diferentes características es necesario saber si pueden mezclarse para dar una combustión adecuada. Para ello, Goffredo Wobbe observó en 1927 que los gases con valores similares del Índice de Wobbe podían intercambiarse en procesos de calentamiento.
Pero ¿Para que sirve el Índice de Wobbe?
Se utiliza para comparar la producción de energía de combustión de diferentes gases combustibles sin conocer su composición detallada (algo habitual en el gas natural, dado que las concentraciones de los gases que conforman el gas natural (metano/etano/ propano/butano …), no son constantes a lo largo del tiempo, ni iguales según el origen del yacimiento.
Es por eso, que cada país marca por normativa el rango admisible para cada gas. Es decir, que indica los máximos o mínimos que deberían existir dentro de una mezcla.
¿Cómo se calcula el Índice de Wobbe?
Índice de Wobbe se define como la relación del poder calorífico superior (High Heating Value, HHV) por unidad de medida del gas a la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas (definido como densidad del gas/densidad del aire seco).
En la imagen adjunta podréis observar las formulas necesarias para calcular el índice de Wobbe.
Destacar que la densidad de una mezcla de gases se puede calcular, sabiendo los porcentajes del gas respecto a la mezcla y la densidad de cada gas.
El poder calorífico inferior, en ingles Low Heating Value (LHV), hace referencia a la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor.
¿Por qué es importante el Índice de Wobbe?
El Índice de Wobbe es un factor crítico para minimizar el impacto de fluctuaciones en el suministro de gas combustible y aumentar la eficiencia del sistema de combustión porque los equipos diseñados para operar en un cierto Índice de Wobbe generalmente tienen una tolerancia de solo ~5% .
Si dos combustibles tienen índices de Wobbe idénticos para la misma presión y los ajustes de válvula dados, la energía la salida también será idéntica.
Clasificación de gases en función del índice de Wobbe
En la siguiente tabla podéis comprobar porque es importante saber calcular el índice de Wobbe, ya que, es el parámetro que se emplea para agrupar los gases en tres familias. Es decir, las familias de dividen en grupos en función del poder calorífico que aporta la hacer combustión de dicha mezcla gaseosa.
Primera familia
La primera familia hace referencia al gas ciudad (mezcla de hidrocarburos con gran contenido en hidrógeno), gas que se utilizaba en el siglo XIX hasta la mitad del siglo XX para iluminar calles y viviendas y, también, para calentar y cocinar en las casas. Al principio se obtenía en fábricas destilando hulla (carbón mineral de color negro mate procedente de sedimentos enterrados de grandes masas vegetales). Más adelante, dejaron de usar carbón y empezaron a usar las naftas, un producto derivado de la destilación del petróleo, con una composición basada en hidrógeno e hidrocarburos. Su combustión era muy luminosa y, popularmente, el gas ciudad se empezó a conocer como “luz de alumbrado”.
Su alto contenido de monóxido de carbono lo convertía en un producto muy peligroso para la salud, al inhalar el monóxido de carbono, pasa a la sangre a través de los pulmones y evita que la hemoglobina trasporte el oxígeno, generando el ahogamiento por desplazamiento.
Segunda familia
Entre que era complejo fabricar gas cuidad y los problemas de seguridad que ocasionaba, el mundo transicionó hacia otra familia de gases, la segunda familia, donde se enmarca el gas natural que nos llega a prácticamente todos nosotros.
De la Imagen 4 podemos observar que el rango del índice de Wobbe es de 39,1-54,7 MJ/m³ , por lo ya sabemos que se consigue más calor que con la primera familia. Cabe destacar que esta familia de gases contiene tres subgrupos (L, E y H). En el caso de España, el gas natural se engloba en la Familia 2H, y contiene un índice de Wobbe de 45,7-54,7 MJ/m³.
Tercera familia
Está última familia engloba al Gas Licuado de Petróleo (GLP). El GLP es un gas que contiene una mezcla de propano y butano. Es por eso, que si la mezcla es mayoritariamente propano, el gas se cataloga como subgrupo P. En cambio, si la fracción principal es el butano, el subgrupo es B. Del Índice de Wobbe observamos que el GLP nos entrega más calor en la combustión.
En la siguiente gráfica podéis observar como evoluciona el poder calorífico superior (HHV, en el eje X) y el índice de Wobbe (en el eje Y). Queda claro, que a mayor peso molecular del hidrocarburo gaseoso, mayor será el poder calorífico contenido en su interior.
Pero volviendo al caso que nos ataña, al igual que en la publicación 93, he estudiado el blending de hidrógeno en una corriente de 100% metano (CH₄). El índice de Wobbe evoluciona de la siguiente manera para un blending creciente de hidrógeno en una corriente de metano.
Fijaros que describe una trayectoria, que parece el símbolo de Nike invertido. Ya que, el 100 % de hidrógeno tiene un índice de Wobbe idéntico al de la mezcla de 40 % de hidrógeno y 60 % de metano.
Por lo que, si volvéis al inicio del análisis ahora entenderéis la trama ( es decir, el gráfico). A partir de un 35%, la nueva mezcla de gases generada, deja de pertenecer a la familia de gases 2H, y en ese caso, el quemador industrial estaría operando fuera de rango.
Por poner otro ejemplo, la siguiente gráfica esta llevada a cabo con datos calculado a 25ºC (298 K) y 1 bar (0,1 MPa), observamos que el índice de Wobbe sale del rango marcado por el grupo H de la Familia de gases 2 cuando la adicción de hidrógeno supera el umbral del 22"% en volumen.
Pero todo no es tan sencillo… por eso me gustan las películas de Christopher Nolan, por lo que estar atentos a la tercera entrega donde comentaré otro de los factores claves para la combustión segura del hidrógeno. Porque como ha quedado claro el hidrógeno y el metano no tienen las mismas características, y se genera un problema muy relevante en la combustión.
A modo de trailer, la velocidad laminar de la llama del hidrógeno es 5 veces mayor que la del metano, lo que provoca dificultades en el diseño del quemador para lograr las distancias deseadas de estabilización de la llama del hidrógeno y el amplio rango de inflamabilidad del hidrógeno exacerba este problema.
ANÁLISIS PREVIOS en “Energy Analysis”:
Muchos sois nuevos lectores por lo que os dejo alguno de los análisis llevados a cabo desde el canal:
